CN104241742A - 一种可调谐微带滤波器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐微带滤波器及其制作方法，滤波器包括多组平行耦合线，每组平行耦合线的一端短路，另一端经过一个集总电容后接地，所述的集总电容为压控变容二极管。制作方法包括归一化低通滤波器、查表查找滤波器的阶数n确定归一化低通滤波器的归一化参数、根据归一化参数计算滤波器的相关参数值、通过查表计算出微带线滤波器每组平行耦合线的间隙S和宽度W，并计算每组平行耦合线的长度L。本发明采用压控变容二极管替换普通的电容，压控变容二极管的两端分别连接数模转换电路的输出端，只要输出相应的二进制高低电平就可以得到想要的模拟电压，从而改变微带滤波器的中心频率，实现滤波器的调谐，基性能良好、使用方便。

Description

一种可调谐微带滤波器及其设计方法

技术领域

本发明属于滤波器制作领域，特别涉及一种可调谐微带滤波器及其设计方法。 

背景技术

进入新世纪，全世界的无线通信技术获得了高速的发展。这些技术给我们带来便利的同时，也给我们提出了新的问题。因为在有限的频谱范围内，无线通信信号频谱越来越宽，导致频谱占用变得越来越拥挤。所以为了适应频谱日益变宽的信号和频点跳动越来越快的现状，电调谐滤波器技术便应运而生。 

电调谐滤波器广泛应用于雷达收发机系统中，其位于接收机的前端天线之后和混频器之前，起到滤除干扰和镜像信号。更为重要的是现代雷达收发机在接收信号、捕获信息、避免干扰等方面需要迅速的改变中心频率和展宽频带，人们对电调谐滤波器的研究与设计也提出了越来越高的要求。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用压控变容二极管替换普通的电容，通过改变压控变容二极管两端的电压就能改变其容值，从而改变滤波器的中心频率，实现滤波器的调谐，基性能良好的可调谐微带滤波器及其设计方法。 

一种可调谐微带滤波器，包括多组平行耦合线，每组平行耦合线的一端短路，另一端经过一个集总电容后接地，所述的集总电容为压控变容二极管。 

进一步地，所述的压控变容二极管的两端分别连接数模转换电路的输出端。 

本发明的可调谐微带滤波器设计方法包括以下步骤： 

S1：归一化低通滤波器，归一化频率的公式为： 

$\mathrm{\Ω}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{BW}}(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_c}-\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\ω}})$

其中，Ω为归一化后的频率，ω_c为给定的通带截止频率，ω为带通滤波器的频率，BW为通带宽度； 

S2：通过查表查找滤波器的阶数n，根据选定的阶数n确定归一化低通滤波器的归一化参数； 

S3：根据步骤S2确定的归一化参数计算滤波器的相关参数值，包括以下几个参数的计算： 

S31：选定归一化导纳和电长度θ₀，计算下面的式子： 

$\frac{B_j}{Y_A}{|}_{j=1~n}=\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}\left(\frac{{\cot \mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_0{\csc }^2{\mathrm{\θ}}_0}{2}\right);$

S32：计算微带滤波器的导纳变换器的导纳： 

$\frac{G_{T1}}{Y_A}=\frac{W\frac{B_1}{Y_A}}{g_0{g}_1{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}$

$\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}=\frac{W\frac{B_n}{Y_A}}{g_n{g}_{n+1}{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}$

${\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}|}_{j=1~n-1}=\frac{W}{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}\sqrt{\frac{\frac{B_j}{Y_A}\×\frac{B_{j+1}}{Y_A}}{g_j{g}_{j+1}}};$

S33：计算谐振线与地的归一化单位长自电容： 

$\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{376.7Y_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(1-\sqrt{\frac{G_{T1}}{Y_A}})$

$\frac{c_1}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{376.7Y_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{a1}}{Y_A}-1+\frac{G_{T1}}{Y_A}-\frac{J_{12}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)+\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_j}{\mathrm{\ϵ}}{|}_{j=2~n-1}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}-\frac{J_{j-1,j}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0-\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)$

$\frac{c_n}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{\mathrm{an}}}{Y_A}-1+\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}-\frac{J_{n-1,n}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)+\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(1-\sqrt{\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}});$

S34：计算相邻谐振线间的互电容： 

$\frac{c_{01}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}-\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_{j,j+1}}{\mathrm{\ϵ}}{|}_{1~n-1}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\left(\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0\right)$

$\frac{c_{n,n+1}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}-\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}};$

S35：微带滤波器的集总电容的值为： 

$C_j^s=Y_A\left(\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}\right)\frac{\cot (\mathrm{\π}*f/(4*f_0))}{f};$

S4：通过查表计算出微带线滤波器每组平行耦合线的间隙S和宽度W，并计算每组平行耦合线的长度L，其计算公式为： 

$L=c/(8*f_0*\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e})$

其中，c为真空介质的电磁波传播速度，即3×10⁸m/s，ε_e为微带线所在介质基本的有效介质常数。 

本发明的有益效果是： 

1、采用压控变容二极管替换普通的电容，通过改变压控变容二极管两端的电压就能改变其容值，从而改变滤波器的中心频率，实现滤波器的调谐，基性能良好； 

2、压控变容二极管的两端分别连接数模转换电路的输出端，只要输出相应的二进制高低电平就可以得到想要的模拟电压，从而改变微带滤波器的中心频率，使用方便。 

附图说明

图1为本发明的微带滤波器结构图； 

图2为本发明的其他值固定，容值改变时仿真结果； 

图3为本发明的其他值固定，长度改变时仿真结果。 

具体实施方式

根据调谐滤波器的公式和集总电容的计算公式 可知，要改变滤波器的中心频率，就要改变滤波器的微带线等效长度或者改变滤波器的电容。滤波器的长度一般已经由给定的指标决定，无法再去改变，而滤波器的电容可以通过改变集总电容的容值而达到目的。为了能扩大滤波器的调谐范围，本发明通过选取一类变容二极管替换普通的电容，只要变容二极管两端的电压就能改变其容值。 

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。 

如图1所示，一种可调谐微带滤波器，其特征在于：包括多组平行耦合线，每组平行耦合线的一端短路，另一端经过一个集总电容后接地，所述的集总电容为压控变容二极管。 

进一步地，所述的压控变容二极管的两端分别连接数模转换电路的输出端，只要输出相应的二进制高低电平就可以得到想要的模拟电压，从而改变微带滤波器的中心频率。 

本实施例的微带滤波器的设计指标为：中心频率范围为0.6GHz～1.5GHz；3dB带宽大 于等于40MHz，带内衰减小于5dB；阻带衰减为f₀±200MHz大于等于45dB；输入输出阻抗为50欧姆。设计滤波器的过程一般是由给定的技术指标设计低通滤波器，再通过频率变换设计需要的滤波器类型，本实施例选取可调范围的中心频率1.15GHz为基准，微带滤波器设计的设计方法包括以下步骤： 

S1：归一化低通滤波器，归一化频率的公式为： 

$\mathrm{\Ω}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{BW}}(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_c}-\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\ω}})$

其中，Ω为归一化后的频率，ω_c为给定的通带截止频率，ω为带通滤波器的频率，BW为通带宽度； 

S2：通过查表(《现代微波滤波器的结构与设计》中由给出的公式推出的图表，在3.6节)查找滤波器的阶数n，根据选定的阶数n确定归一化低通滤波器的归一化参数，本实施例所设计的微滤波器为5阶，其归一化参数为：g₀＝1，g₁＝0.7654，g₂＝1.8478，g₃＝1.8478，g₄＝0.7654，g₅＝1； 

S3：根据步骤S2确定的归一化参数计算滤波器的相关参数值，包括以下几个参数的计算： 

S31：选定归一化导纳和电长度θ₀，计算下面的式子： 

$\frac{B_j}{Y_A}{|}_{j=1~n}=\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}\left(\frac{{\cot \mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_0{\csc }^2{\mathrm{\θ}}_0}{2}\right);$

S32：计算微带滤波器的导纳变换器的导纳： 

$\frac{G_{T1}}{Y_A}=\frac{W\frac{B_1}{Y_A}}{g_0{g}_1{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}$

$\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}=\frac{W\frac{B_n}{Y_A}}{g_n{g}_{n+1}{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}$

${\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}|}_{j=1~n-1}=\frac{W}{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}\sqrt{\frac{\frac{B_j}{Y_A}\×\frac{B_{j+1}}{Y_A}}{g_j{g}_{j+1}}};$

S33：计算谐振线与地的归一化单位长自电容： 

$\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{376.7Y_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(1-\sqrt{\frac{G_{T1}}{Y_A}})$

$\frac{c_1}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{376.7Y_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{a1}}{Y_A}-1+\frac{G_{T1}}{Y_A}-\frac{J_{12}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)+\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_j}{\mathrm{\ϵ}}{|}_{j=2~n-1}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}-\frac{J_{j-1,j}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0-\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)$

$\frac{c_n}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{\mathrm{an}}}{Y_A}-1+\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}-\frac{J_{n-1,n}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)+\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(1-\sqrt{\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}});$

S34：计算相邻谐振线间的互电容： 

$\frac{c_{01}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}-\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_{j,j+1}}{\mathrm{\ϵ}}{|}_{1~n-1}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\left(\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0\right)$

$\frac{c_{n,n+1}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}-\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}};$

S35：微带滤波器的集总电容的值为： 

$C_j^s=Y_A\left(\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}\right)\frac{\cot (\mathrm{\π}*f/(4*f_0))}{f};$

S4：当中心频率选取为1.15GHz时，等于2.5pf，再通过查表计算出微带线滤波器每组平行耦合线的间隙S和宽度W，并计算每组平行耦合线的长度L，其计算公式为： 

$L=c/(8*f_0*\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e})$

其中，c为真空介质的电磁波传播速度，即3×10⁸m/s，ε_e为微带线所在介质基本的有效介质常数。 

本实施例设计的微带滤波器为5阶的滤波器，其参数如表一所示。 

表一 

本实施例所设计的微带线滤波器中，选取介电常数为2.65的F4B高频板，介质板厚度为0.8mm，覆铜厚度0.018mm。 

微带滤波器的滤波效果是由很多因素决定的，微带线所在介质板的选取、覆铜的厚度、微带线的宽度和长度、变容二极管的选取等等，各个因素所对滤波器的影响也表现在不同的方面，下面通过计算机仿真对比不同参数对滤波器性能的影响：(1)其他值固定，容值改变时仿真结果如图2所示；(2)其他值固定，长度改变时仿真结果如图3所示。 

从设计微带线滤波器的步骤可知，由给定的带通滤波器指标可以确定微带线的宽度和间隙。由微带线容值和长度公式可知，对谐振中心频率影响最大的就是变容二极管的容值和微带线的长度。以上仿真图中，在600MHz到2GHz范围内通过改变滤波器的某一个固定值，对滤波器性能的影响：(1)当只改变变容二极管的容值时，随着容值变大，调谐频率逐渐变小；(2)当只改变微带线的长度时，随着微带线长度变长，调谐频率也是逐渐变小的。由此可知，当由给定的公式算出的理论值不能达到带通滤波器滤除干扰信号时，可以通过适当的调试微带线长和变容二极管的电压值来使滤波器达到预定的指标。 

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。 

Claims (3)

1.一种可调谐微带滤波器，其特征在于：包括多组平行耦合线，每组平行耦合线的一端短路，另一端经过一个集总电容后接地，所述的集总电容为压控变容二极管。

2.根据权利要求1所述的可调谐微带滤波器，其特征在于：所述的压控变容二极管的两端分别连接数模转换电路的输出端。

3.一种可调谐微带滤波器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：归一化低通滤波器，归一化频率的公式为：

$\mathrm{\Ω}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{BW}}(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_c}-\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\ω}})$

其中，Ω为归一化后的频率，ω_c为给定的通带截止频率，ω为带通滤波器的频率，BW为通带宽度；

S2：通过查表查找滤波器的阶数n，根据选定的阶数n确定归一化低通滤波器的归一化参数；

S3：根据步骤S2确定的归一化参数计算滤波器的相关参数值，包括以下几个参数的计算：

S31：选定归一化导纳和电长度θ₀，计算下面的式子：

$\frac{B_j}{Y_A}{|}_{j=1~n}=\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}\left(\frac{{\cot \mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_0{\csc }^2{\mathrm{\θ}}_0}{2}\right);$

S32：计算微带滤波器的导纳变换器的导纳：

$\frac{G_{T1}}{Y_A}=\frac{W\frac{B_1}{Y_A}}{g_0{g}_1{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}$

$\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}=\frac{W\frac{B_n}{Y_A}}{g_n{g}_{n+1}{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}$

${\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}|}_{j=1~n-1}=\frac{W}{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}}\sqrt{\frac{\frac{B_j}{Y_A}\×\frac{B_{j+1}}{Y_A}}{g_j{g}_{j+1}}};$

S33：计算谐振线与地的归一化单位长自电容：

$\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{376.7Y_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(1-\sqrt{\frac{G_{T1}}{Y_A}})$

$\frac{c_1}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{376.7Y_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{a1}}{Y_A}-1+\frac{G_{T1}}{Y_A}-\frac{J_{12}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)+\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_j}{\mathrm{\ϵ}}{|}_{j=2~n-1}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}-\frac{J_{j-1,j}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0-\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)$

$\frac{c_n}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(\frac{Y_{\mathrm{an}}}{Y_A}-1+\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}-\frac{J_{n-1,n}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0)+\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}(1-\sqrt{\frac{G_{\mathrm{Tn}}}{Y_A}});$

S34：计算相邻谐振线间的互电容：

$\frac{c_{01}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}-\frac{c_0}{\mathrm{\ϵ}}$

$\frac{c_{j,j+1}}{\mathrm{\ϵ}}{|}_{1~n-1}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\left(\frac{J_{j,j+1}}{Y_A}{\tan \mathrm{\θ}}_0\right)$

$\frac{c_{n,n+1}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{376.7Y}_A}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}-\frac{c_{n+1}}{\mathrm{\ϵ}};$

S35：微带滤波器的集总电容的值为：

$C_j^s=Y_A\left(\frac{Y_{\mathrm{aj}}}{Y_A}\right)\frac{\cot (\mathrm{\π}*f/(4*f_0))}{f};$

S4：通过查表计算出微带线滤波器每组平行耦合线的间隙S和宽度W，并计算每组平行耦合线的长度L，其计算公式为：

$L=c/(8*f_0*\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e})$

其中，c为真空介质的电磁波传播速度，即3×10⁸m/s，ε_e为微带线所在介质基本的有效介质常数。